Onderzoekers die de fysica van vloeistoffen bestuderen, leren waarom bepaalde situaties het risico vergroten dat druppeltjes ziekten zoals COVID-19 overdragen.

Tijdens de 73e jaarlijkse bijeenkomst van de afdeling Fluid Dynamics van de American Physical Society, de wetenschappers hebben nieuw bewijs geleverd dat aantoont waarom het gevaarlijk is om binnenshuis af te spreken - vooral als het koud en vochtig is, en zelfs als je meer dan anderhalve meter verwijderd bent van andere mensen. Ze stelden voor welke maskers de meest besmettelijke druppeltjes opvangen. En ze leverden nieuwe tools voor het meten van superspreaders.

"De huidige epidemiologische modellen voor infectieuze luchtwegaandoeningen houden geen rekening met de onderliggende stroomfysica van ziekteoverdracht, " zei professor Swetaprovo Chaudhuri, hoogleraar engineering aan de Universiteit van Toronto, een van de onderzoekers.

Maar vloeistoffen en hun dynamiek zijn van cruciaal belang voor het vormgeven van het transport van pathogenen, die de overdracht van besmettelijke ziekten beïnvloedt, verklaarde wiskundig fysicus en professor Lydia Bourouiba, Directeur van het Fluid Dynamics of Disease Transmission Laboratory aan het MIT. Ze gaf een uitgenodigde lezing over het oeuvre dat ze de afgelopen tien jaar heeft geproduceerd om de vloeistofdynamiek van infectieziekten en de overdracht van ziekten toe te lichten.

"Mijn werk heeft aangetoond dat uitademingen geen geïsoleerde druppeltjes zijn, maar er in feite uit komen als een turbulent, meerfasige wolk. Deze gaswolk is van cruciaal belang voor het vergroten van het bereik en het veranderen van de verdampingsfysica van de druppeltjes erin, " zei Bourouiba. "In de context van infectieziekten van de luchtwegen, vooral nu COVID-19, dit werk onderstreept het belang van het veranderen van richtlijnen voor afstand en bescherming op basis van onderzoek naar vloeistofdynamica, vooral met betrekking tot de aanwezigheid van deze wolk."

Bourouiba presenteerde voorbeelden van een reeks infectieziekten, waaronder COVID-19 en besprak de ontdekking dat uitademing verschillende stroomregimes met zich meebrengt, naast rijke onstabiele vloeistoffragmentatie van complexe slijmvliesvloeistof. Haar onderzoek onthult het belang van de gasfase, die het fysieke beeld van uitademing en druppels volledig kan veranderen.

Nordic Institute for Theoretical Physics wetenschapper Dhrubaditya Mitra en zijn team realiseerden zich dat ze de wiskundige vergelijkingen konden gebruiken die voor parfum gelden om te berekenen hoe lang het zou duren voordat virale druppeltjes je binnenshuis bereiken. Het blijkt:helemaal niet zo lang.

Parfum gedragen door iemand aan de volgende tafel of cabine bereikt je neus dankzij turbulentie in de lucht. Fijne druppeltjes die door een besmette persoon worden uitgespuwd, verspreiden zich op dezelfde manier. De onderzoekers ontdekten dat onder een relatieve afstand die bekend staat als de integrale schaal, druppels bewegen ballistisch en zeer snel.

Zelfs boven de integraalschaal, er is gevaar. Beschouw een voorbeeld waarbij de integraalschaal twee meter is. Als je drie meter - iets minder dan drie meter - van een geïnfecteerde persoon zou staan, hun druppeltjes zouden je vrijwel zeker binnen ongeveer een minuut bereiken.

"Het liet ons zien hoe zinloos de meeste regels voor sociale afstand zijn als we eenmaal binnen zijn, " zei Mitra, die het onderzoek uitvoerde met collega Akshay Bhatnagar van het Nordic Institute for Theoretical Physics en Akhilesh Kumar Verma en Rahul Pandit van het Indian Institute of Science.

Behalve verder en sneller reizen, druppeltjes kunnen ook langer binnenshuis overleven dan eerder werd aangenomen.

Onderzoek in de jaren dertig analyseerde hoe lang ademdruppels overleven voordat ze verdampen of de grond raken. De bijna honderd jaar oude bevindingen vormen de basis van onze huidige mantra om "anderhalve meter afstand te houden" van anderen.

Natuurkundigen van de Universiteit Twente kwamen terug op de kwestie. Ze voerden een numerieke simulatie uit die aangaf dat de levensduur van druppeltjes meer dan 100 keer langer kan zijn dan de normen uit de jaren dertig suggereren.

"De huidige regels voor social distancing zijn gebaseerd op een model dat inmiddels achterhaald zou moeten zijn, " zei natuurkundige Detlef Lohse, die het team leidde.

In een koude en vochtige ruimte, uitgeademde druppeltjes verdampen niet zo snel. De geproduceerde hete vochtige trek beschermt ook de druppels en verlengt hun levensduur, net als collectieve effecten.

Van sommige druppeltjes wordt u eerder ziek dan van andere. Universiteit van Toronto's Chaudhuri, met onderzoekers van het Indian Institute of Science en de University of California San Diego, onderzocht waarom, met behulp van experimenten met menselijke speekseldruppels en computationele analyses.

Ze ontdekten dat enkele van de meest besmettelijke druppeltjes beginnen met een grootte van 10 tot 50 micron. "Met bepaalde aannames, het lijkt erop dat als iedereen een masker draagt ​​dat kan voorkomen dat alle druppels boven de 5 micron worden uitgestoten, de pandemische curve zou kunnen worden afgevlakt, ' zei Chaudhuri.

Gedroogde druppelresten vormen ook een ernstig risico:het houdt veel langer aan dan druppeltjes zelf en kan grote aantallen mensen infecteren als het virus krachtig blijft.

Het team gebruikte hun bevindingen om een ​​ziektetransmissiemodel te ontwikkelen. "Ons werk verbindt de fysica van druppeltjes op microschaal en de fundamentele rol ervan bij het bepalen van de verspreiding van infecties op macroschaal, ' zei Chaudhuri.

Om de druppeldynamiek in de COVID-19-pandemie beter te begrijpen, een team van de Northwestern University en de University of Illinois in Urbana-Champaign testte de capaciteiten van een nieuw draagbaar apparaat. De dunne, draadloze, flexibele sensor hecht als een sticker aan de onderkant van de nek om vitale signalen vast te leggen. Lopende klinische onderzoeken gebruiken het apparaat bij ziekenhuispatiënten.

Het team ontdekte dat het apparaat onderscheid maakt tussen hoesten, praten, lachend, en andere ademhalingsactiviteiten met zijn machine learning-algoritmen. Onderzoekers gebruikten deeltjesvolgsnelheidsmeting en een decibelmeter om druppeltjes te analyseren die door apparaatdragers worden geproduceerd.

"Verschillende soorten spraak kunnen drastisch verschillende aantallen en dynamiek van druppels genereren, ", zei onderzoeker biomedische technologie Jin-Tae Kim, die het onderzoek leidde.

Het apparaat kan helpen licht te werpen op waarom sommige individuen ongewoon besmettelijk worden - de zogenaamde superverspreiders. "Onze bevindingen gaan verder in op de kritieke behoefte aan continue huidgeïntegreerde sensoren om de pandemie beter te begrijpen, " zei Kim.